روبوت ذراع لمرضى بتر الأطراف: تحكم لمسي في الوقت الفعلي
بالنسبة لأكثر من 5 ملايين شخص في العالم بُترت أطرافهم العلوية، قطع تطور الأطراف الاصطناعية شوطا طويلا. إلى جانب الأطراف التقليدية الشبيهة بالدمى، يتزايد عدد الأطراف العصبية التجارية، وهي أطراف حيوية ذات مفاصل عالية الدرجة، صُممت لاستشعار إشارات العضلات المتبقية لدى المريض ومحاكاة حركاته المقصودة بواسطة روبوت.
لكن لهذه الرشاقة عالية التقنية ثمنها. فقد تكلف الأطراف العصبية عشرات الآلاف من الدولارات، وتعتمد على هياكل معدنية ومحركات كهربائية قد تكون ثقيلة وصلبة.
طوّر مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وجامعة جياو تونغ في شنغهاي ذراعا عصبية ناعمة وخفيفة ومنخفضة التكلفة على الأرجح. وقد أدى مبتورو الأطراف الذين اختبروا الذراع مهام يومية، مثل إغلاق سحاب حقيبة السفر، وسكب العصير من علبة، وملاطفة قطة.
أدّوا جميع هذه المهام بالمستوى نفسه، بل في بعض الحالات أفضل من مستخدمي الأطراف العصبية الأكثر صلابة. ووجد الباحثون أن الطرف الاصطناعي المزود بنظام ردود فعل لمسية استعاد بعض الأحاسيس البدائية في الطرف المتبقي لدى المتطوع.
كما أن التصميم الجديد متين بشكل لافت، ويتعافى بسرعة بعد الضرب بالمطرقة أو الدهس بسيارة. فالذراع الذكية ناعمة ومرنة، ويبلغ وزنها نحو 200 غرام. وتبلغ تكلفة مكوناتها نحو 500 دولار، وهي جزء صغير من وزن وتكلفة مواد الأطراف الذكية الأكثر صلابة.
«هذا ليس منتجا جاهزا بعد، لكن فعاليته مماثلة للأطراف العصبية الموجودة أو تفوقها، وهذا ما يعجبنا كثيرا. هناك إمكانات كبيرة لجعل هذا الطرف الناعم بسعر منخفض جدا للأسر ذات الدخل المنخفض التي تضررت من البتر»
يذكّر تصميم الذراع بالروبوت المنفوخ من الرسوم المتحركة «مدينة الأبطال». وصُنعت الذراع الاصطناعية من مادة ناعمة ومرنة، هي الإيلاستومر التجاري EcoFlex. يتكون الطرف من خمسة أصابع، كل منها مغطى بأجزاء من ألياف، تشبه العظام المفصلية للأصابع الحقيقية. وهي متصلة بـ«كف» ثلاثية الأبعاد على شكل يد بشرية.
بدلا من التحكم في كل إصبع بالمحركات الكهربائية كما في معظم الأطراف العصبية، استخدم الباحثون نظاما هوائيا بسيطا لنفخ الأصابع بدقة وثنيها في أوضاع محددة. ويمكن حمل هذا النظام، المكون من مضخة صغيرة وصمامات، على الحزام، مما يقلل وزن الطرف الاصطناعي بشكل كبير.
طوّر الفريق نموذجا حاسوبيا لربط الوضع المطلوب للإصبع بالضغط المناسب الذي يجب أن تضخه المضخة لبلوغ ذلك الوضع. كما طوّر الباحثون وحدة تحكم توجه النظام الهوائي لنفخ الأصابع في أوضاع تحاكي خمس قبضات شائعة، تشمل قبض إصبعين وثلاثة معا وقبضة اليد.
يستقبل النظام الهوائي إشارات من مستشعرات تخطيط كهربية العضل (EMG)، وهي مستشعرات تقيس الإشارات الكهربائية التي تولدها الخلايا العصبية الحركية للتحكم في العضلات. وتُثبَّت المستشعرات في فتحة الطرف الاصطناعي حيث يتصل بطرف المستخدم. ويمكنها التقاط الإشارات من الطرف المتبقي، مثل عندما يتخيل المبتور أنه يقبض على يده.
يقوم خوارزمية خاصة بـ«فك شفرة» إشارات العضلات وربطها بأنواع القبضات الشائعة. واستخدم المهندسون هذه الخوارزمية لبرمجة وحدة تحكم نظامهم الهوائي.
عندما يتخيل الشخص أنه يمسك كأس نبيذ، تلتقط المستشعرات إشارات العضلات المتبقية، فتحولها وحدة التحكم إلى ضغوط مناسبة. ثم تطبق المضخة هذا الضغط لنفخ كل إصبع وتحقيق القبضة المطلوبة للمستخدم.
سعى الباحثون إلى إضافة ردود الفعل اللمسية، وهي ميزة غير مدمجة في معظم الأطراف العصبية التجارية. ولتحقيق ذلك، ثبتوا على طرف كل إصبع مستشعر ضغط يصدر إشارة كهربائية متناسبة مع الضغط المحسوس عند الملامسة أو القبض. ويرتبط كل مستشعر بموضع محدد على الطرف المتبقي لدى الإنسان، لذلك يمكنه أن «يشعر» متى يضغط، مثلا، بالإبهام لا بالسبابة.
لاختبار الذراع الروبوتية، استعان الباحثون بمتطوعين اثنين بُترت أطرافهم العلوية. وبعد ارتداء الطرف العصبي، تعلّما استخدامه بتكرار انقباض عضلات الذراع مع تخيل تنفيذ القبضات الخمس الشائعة.
بعد انتهاء تدريب دام 15 دقيقة، طُلب منهما إجراء سلسلة من الاختبارات القياسية لإظهار قوة الذراع ومهارتها، مثل طي قطع الداما، وقلب الصفحات، والكتابة بقلم، ورفع كرات ثقيلة، وجمع أشياء هشة (مثل الفراولة). وكررا هذه الاختبارات باستخدام الذراع الروبوتية الأكثر صلابة، وتبين أن الطرف المنفوخ كان بالمستوى نفسه أو أفضل.
تمكن أحد المتطوعين من استخدام الطرف الناعم بشكل حدسي في نشاطاته اليومية، مثل تناول الطعام (حتى البسكويت المقرمش) والتعامل مع أشياء متنوعة (الحواسيب المحمولة والزجاجات والمطارق والكماشات). واستطاع تحريك الطرف بأمان ليصافح شخصا، أو يلمس زهرة، أو يلاطف قطة.
التجربة الأكثر إثارة: عصب الباحثون عيني المتطوع، فوجدوا أنه يستطيع تمييز الإصبع الذي لمسوه. كما نجح في «الشعور» بزجاجات مختلفة الأحجام وضعت داخل الطرف. ويعتبر الفريق هذه التجارب علامة واعدة على أن مرضى بتر الأطراف قد يستعيدون شكلا من الإحساس والتحكم في الوقت الفعلي باستخدام الذراع المنفوخة.
